Análisis y control

Métodos espectroscópicos de análisis

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MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS DE ANÁLISIS

Se basan en la medición de la radiación electromagnética emitida o absorbida por la materia.

Emisión: utilizan la radiación emitida por una sustancia que ha sido excitada por una energía térmica, eléctrica o electromagnética, al pasar al estado fundamental. Esta radiación es característica del material o compuesto emisor.

Absorción: se basan en la disminución de potencia de una radiación electromagnética que ha interaccionado con la materia.

Miden la relación entre intensidad final - inicial mediante un parámetro denominado Transmitancia.

Ambos tránsitos se realizan entre niveles que están cuantizados.

Para pasar de un nivel a otro tiene que haber una variación de energía cuatizada.

Para que haya interacción entre la radiación electromagnética y la materia es necesario:

- que la energía asociada a esa radiación electromagnética satisfaga a la necesidad de energía de ese salto.

- tiene que existir una probabilidad de transmisión entre niveles.

Son dos condiciones necesarias para darse un método espectroscópico.

PROPIEDADES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

La radiación electromagnética es una forma de energía que se transmite en el espacio (v = 3·108 m/s) sin necesidad de medio ni apoyo para transmitirse, y no va acompañada de materia.

La naturaleza de la radiación electromagnética es dual, por una parte tiene naturaleza ondulatoria y por otro lado tiene naturaleza corpuscular.

NATURALEZA ONDULATORIA

Nos dice que la radiación electromagnética es un campo eléctrico que se propaga por el espacio en forma de tren de ondas al que va asociado otro campo magnético con la misma longitud de onda, perpendiculares entre sí y perpendicular a la dirección de propagación.

Los parámetros que caracterizan a esta onda son:

- Longitud de onda ()

- Frecuencia (
)

- Amplitud (A)

- Velocidad (C)

- Longitud de onda (); es la distancia que hay entre dos puntos máximos o mínimos consecutivos, depende del medio en el que se propaga, se suele medir en nm.

- Frecuencia (
); es el número de oscilaciones del campo por segundo (sg-1)

- Amplitud (A); es la longitud del vector eléctrico en el máximo o mínimo de onda.

- Velocidad; longitud que recorre la onda en unidad de tiempo. Se representa por la letra “C”.

T es el periodo que tarda la onda en recorre una longitud de onda.

'Métodos espectroscópicos de análisis'

TEORÍA CORPUSCULAR

La radiación electromagnética es un flujo de partículas discretas a las que está asociada una energía en forma de paquetes denominados cuantos o fotones de energía cuantificada.

(h = 6,23·10-34 Julios · sg)

La interacción de las ondas electromagnéticas con la materia requiere que sea considerada como cuantos de energía.

COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS EMPLEADOS EN ESPECTROSCOPÍA ÓPTICA

Fuente estable de energía radiante.

Selector de longitud de onda que aísla una región limitada del espectro para hacer la medición.

Uno o más recipientes para las muestras

Detector de radiación (o transductor) que convierte la energía radiante en una señal medible.

Sistema que procesa la señal y la visualiza en una escala de medida.

FUENTE

Hay dos tipos:

Fuente Continua, emiten de forma continua una región del espectro. La intensidad de esa radiación varía de forma gradual con la longitud de onda.

Fuente de Líneas, emiten un número restringido de bandas de radiación con un intervalo muy reducido de longitud de onda.

Características

- Emitir una radiación reproducible y regulada para proporcionar estabilidad.

- La radiación tiene que ser intensa, con una potencia suficiente para facilitar su detección.

- Tiene que ser accesible y fácil de mantener.

Para la región ultravioleta se utilizan lámparas de de hidrógeno o deuterio para obtener radiación de entre 380nm y 160nm.

Para la región ultravioleta visible e infrarrojo cercano utilizamos una lámpara de wolframio y yodo.

Para la zona infrarrojo se utilizan lámparas Globar o Nernst. La fuente Globar es una varilla de carburo de sílice a temperatura de 1500ºC para dar radiación de una longitud de onda de 1 - 40m. La de Nernst son óxidos de circonio y de itrio a temperaturas elevadas, que dan una radiación de entre 0,4 - 20m.

SELECTORES

Restringen la radiación a una onda estrecha para que sea absorbida o emitida por la muestra, dan una mayor sensibilidad y selectividad del instrumento. Pueden ser de dos tipos:

Filtros de Absorción, vidrios coloreados, más simples y más resitentes.

Monocromadores

- de red

- Prisma

Ambos dispersan la radiación en longitudes de onda individuales (concretas).

RECIPIENTES

Son celdas o cubetas fabricadas con material que permite el paso de la radiación en la región espectral que nos interesa.

Para la zona de infrarrojo cercano, visible y ultravioleta son de cuarzo o sílice fundido.

Para la región visible e infrarrojo cercano también de vidrio.

Para visible se puede utilizar de plástico (más barato y resistente).

Para infrarrojo se utilizan cubetas de cloruro sódico (frecuente).

En la utilización donde las cubetas hay que tener en cuenta que las huellas dactilares, manchas de grasa o polvo en las paredes de la misma alteran las características de transmisión de la radiación. Como precaución no se deben desecar en estufa ni con papeles gruesos. Se limpian con papeles muy finos.

DETECTORES

Son dispositivos que indican la existencia de algún fenómeno físico como puede ser temperatura, fase… tienen que responder rápidamente a niveles bajos de energía en una amplia región del espectro (cuanto más amplio más fiable). Pueden ser detectores de fotones y térmicos.

Detectores de Fotones, se basan en la interacción de la radiación con la superficie reactiva para producir electrones. Se utilizan para la radiación de ultravioleta visible e infrarrojo cercano.

Detectores Térmicos, miden un aumento de temperatura de un material ennegrecido, situado en el recorrido del rayo, se utilizan para infrarrojo

ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN MOLECULAR

Toda radiación que se hace pasar a través de una sustancia es absorbida a ciertas longitudes de onda características.

La energía de la radiación es transferida temporalmente a la molécula que esta en estado fundamental pasando esta a estado excitado, y como consecuencia disminuye la intensidad de la radiación y obtenemos una radiación atenuada.

Los parámetros que se utilizan en espectroscopia de absorción son:

Transmitancia (T), relación entre P0 y PF.

'Métodos espectroscópicos de análisis'

Mide la relación entre potencias, la transmitancia es la fracción de la radiación incidente transmitida por la disolución (normalmente las muestras están en disolución), se suele dar en tanto por ciento.

Absorbancia (A), esta relacionada con la transmitancia mediante las fórmulas:

'Métodos espectroscópicos de análisis'

La absorbancia también se relaciona con la concentración, lo hace por la ley de Lambert - Beer.

Donde:

- Absortividad (),

- Concentración (C), 'Métodos espectroscópicos de análisis'

- Camino óptico que recorre la radiación o longitud de la cubeta (b), viene dado en cm.

es característica de cada sustancia para una determinada longitud de onda. Si es grande aumenta la sensibilidad (con igual concentración de analito aumenta la absorbancia)

Los métodos espectroscópicos son métodos comparativos y esto significa que antes de dar un resultado debemos hacer la recta de calibrado (con distintas concentraciones del analito, perfectamente conocidas), que relaciona la concentración con la absorbancia. La pendiente de la recta de calibrado es cuando la concentración es molar (mol·lit-1). La recta de calibrado es una línea que pasa por el origen (0,0).

Para mezclas la absorbancia viene dada como las sumas de todas las absorbancias de los distintos analitos.

Es decir, las absorbancias son aditivas.

El requisito para poder hacer un espectroscopio para mezclas es que las curvas de absorción de los analitos individuales no se acerquen demasiado y coincidan. Se puede permitir algo de superposición parcial, pero cuanta mayor superposición existan en las curvas, menos preciso será el método.

Cuando hay mezcla se utilizan las longitudes de onda máximas de cada sustancia.

Para longitud de onda (I)

Para longitud de onda (II)

Cuando hay una mezcla, la recta de calibrado se hace a dos longitudes de onda, para tener dos reacciones.

LIMITACIONES DE LA LEY DE LAMBERT - BEER

DEBIDO A CAUSAS REALES

Desviación del comportamiento lineal, para disoluciones muy concentradas, más de 10-2M la recta tendría una curvatura.

Por tanto esta ley se lleva a cabo para concentraciones entre 10-6M y 10-2M, son disoluciones diluidas y por esto se dice que es una ley Límite.

EL INCUMPLIMIENTO DE LAS PREMISAS DE LA LEY.

a.- Las interacciones entre soluto y radiación producidas por mecanismos distintos a la absorción (dispersión de la luz, fluorescencia y emisión por resonancia). Producen una disminución en la intensidad de la luz que se puede confundir en la medición pudiendo considerarse como absorción.

b.- Falta de monocromatismo, esta limitación no es considerada siempre, si la radiación utilizada no absorbe una región del espectro en la que el absorbente (analito) presente grandes variaciones de absorbancia en función de la longitud de onda.

En la región 1 si hay problema puesto que para esa longitud de onda la absorción del analito es muy variable.

En la región 2 no hay problema puesto que para esa longitud de onda la absorción del analito no es muy variable

Generalmente en las proximidades de la máxima absorbancia del analito no hay problema.

Las mediciones de absorbancia se hacen las longitudes de onda que corresponden a los máximos de absorbancia, siempre que sea un pico ancho para que no haya variación de absorbancia en ese intervalo.

c.- Interacciones entre los solutos absorbentes. Si tenemos una concentración más grande de lo habitual (permitida por la ley) de forma que entre los solutos hay choques, hace que cambien las condiciones energéticas, por lo que la longitud de onda característica varía para la absorción.

En disoluciones diluidas las interacciones entre los solutos no se dan, por eso la ley dice que se trabaje con disoluciones diluidas (hay casos en los que con disoluciones diluidas también se dan interacciones).

d.- Sección no uniforme, la ley de Lambert - Beer supone que todos los rayos atraviesan el mismo número de centros absorbentes.

En el caso del cuerpo rectangular todos atraviesan el mismo número, en el del cilindro en A atraviesan más que en B.

Por esta razón las cubetas suelen ser rectangulares o cuadradas, las circulares dan un cumplimento aproximado de la ley.

ERRORES AL APLICAR LA LEY

a.- Errores Instrumentales, dentro de estos tenemos varios.

- Radiación Parásita (o Directa), toda radiación extraña que llega al detector sin pasar por la muestra, son el resultado de la dispersión y reflexión de las superficies ópticas del instrumento, debido a imperfecciones por ralladuras o roturas.

- Reflexiones en la Cubeta, para evitarlas hay que limpiarlas con papel suave, y se debe trabajar con cubetas idénticas.

Las desviaciones instrumentales son todas negativas, nos dan todas una absorción menor de la real.

b.- Errores Químicos

- Alteraciones del equilibrio de las reacciones que provocan una alteración de la concentración del absorbente (analito), pueden ser debidas al cambio de temperatura, fuerza iónica…

- Existencia de otros equilibrios químicos, reacciones ácido - base, reacciones de precipitación, reacciones de formación de complejos… Modifican la absorbancia del absorbente. Las reacciones de formación de complejos pueden producir dispersión de la radiación, también pueden modificar el color del absorbente.

- Debido a los efectos del disolvente, se trata de llevar a cabo las reacciones sin cambiar ni la composición ni la concentración de los componentes que forman parte del disolvente. También hay que tener en cuenta las impurezas que se pueden introducir al analizar trazas.

- Impurezas de reactivos, se comprueban con un análisis en blanco.

c.- Errores Personales

Se dan en la utilización y cuidado de las cubetas, deben de estar correctamente limpias, sin huellas y sin ralladuras. Deben evitarse los ácidos concentrados que puedan atacarlas, y se debe comprobar antes y después de la medida que no tengan burbujas ni partículas no disueltas que pueden producir dispersión de la luz.

Otro error puede producirse en el control de la temperatura y tiempo.

- La temperatura influye dependiendo de que reacción sea.

- El tiempo se debe de controlar cuando tenemos reacciones que tardan un tiempo en producirse y al cabo de un tiempo decaen.

- También hay que tener en cuenta el orden de adición de los reactivos, porque puede influir en la obtención de la absorbancia.

ESPECTROFOTOMETRÍA MOLECULAR ULTRAVIOLETA VISIBLE

Vemos transiciones moleculares utilizando ultravioleta visible. El rango espectral para ultravioleta va de 200 - 400nm, y para el visible va de 400 - 700 nm.

El rango de energía que abarca es de 6 e-V (electrón voltio).

ENERGÍA DE VIBRACIÓN ATÓMICA Y ENERGÍA ROTACIONAL.

La distancia donde la energía es menor es más fácil el enlace. Las transiciones que se hacen en la absorción molecular ultravioleta son transiciones de los electrones entre los diferentes orbitales moleculares a los que corresponde diferente energía.

Para cada estado de energía electrónica hay varios estados de vibración y para cada estado vibratorio existen varios estados rotatorios. Por tanto el número posible de niveles de energía en la transición es amplio.

Hay varias longitudes de onda que dan la energía necesaria para dar la transición. La absorción se produce por un tránsito de E0 a E* debido a una radiación.

E0 representa la energía electrónica de la molécula en estado fundamental. E*, E*2… son la energía de los estados electrónicos excitados. E*1, E*21… corresponden a los niveles de energía vibratoria para cada uno de los estados electrónicos.

La radiación visible provoca tránsitos de un electrón desde el estado fundamental hacia cualquiera de los niveles vibratorios del estado electrónico E*.

La radiación ultravioleta provoca tránsitos de un electrón desde E0 hacia los distintos niveles vibratorios de E*2.

Debido a la existencia de los distintos niveles vibratorios posibles dentro de un estado electrónico, los espectros electrónicos de ultravioleta visible dan bandas anchas de absorción (se superponen también las vibraciones rotacionales).

Debido a que son bandas anchas la utilización de los espectros de absorción es para análisis cuantitativos, porque para análisis cualitativos no son muy precisos por tener bandas anchas.

Las colisiones con los disolventes también hacen más difusas las energías de los estados cuánticos originando también bandas anchas.

En los espectros de absorción influye el estado físico del absorbente (analito) y el tipo de disolvente empleado.

Los compuestos que absorben en ultravioleta visible se denominan Cromóforos, dentro hay inorgánicos, orgánicos y complejos de transferencia de carga.

ORGÁNICOS

Los que tienen enlaces insaturados (dobles y triples enlaces) porque los electrones no están tan fuertemente unidos con en los enlaces sencillos.

Los compuestos orgánicos con oxígeno, azufre, nitrógeno o halógenos presentan absorción en ultravioleta porque los electrones no compartidos no están tan fuertemente unidos, y son lo que provocan la transición.

INORGÁNICOS

Tienen transición en ultravioleta visible, los complejos formados con compuestos de las primeras series de transición van a dar transición en al menos algún estado de oxidación.

COMPLEJOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA

Son los grupos donadores de electrones enlazados, los donan a un compuesto receptor de electrones con orbitales vacíos, cuando este compuesto donador absorbe la energía uno de estos electrones se transfiere al orbital vacío del receptor y se produce un estado de oxidación - reducción interno, estos compuestos tienen absortividades molares altísima, por lo que permiten un elevada sensibilidad, la mayoría implican un ión metálico, pueden ser tanto compuestos inorgánicos como orgánicos. Por ejemplo; 1,10 - fenantrolina con hierro (II), o el tiocianato con hierro (III).

APLICACIONES DE LA ESPECTROSCOPIA MOLECULAR DE ABSORCIÓN DE ULTRAVIOLETA VISIBLE

Se utiliza para la identificación y detección de una variedad de especies inorgánicas, orgánicas y bioquímicas.

ANÁLISIS CUANTITATIVO

Este es uno de los métodos más utilizados en laboratorios químicos y clínicos, y se caracteriza por la amplia aplicación a compuestos orgánicos e inorgánicos.

Tiene una sensibilidad (límite de Detección) de entre 10-4M y 10-7M.

Posee una selectividad moderada - alta.

Es rápido y de fácil automatización.

Tiene una exactitud y precisión razonables, con un error de entre el 1 - 3%.

Muchos de los compuestos no absorbentes orgánicos e inorgánicos se pueden analizar (determinar) haciéndolos reaccionar con reactivos cromóforos que absorben fuertemente en la región ultravioleta visible. Para que esto de buen resultado es necesario que la reacción sea forzada hasta que se complete.

Los reactivos inorgánicos más comunes serían:

- Tiocianato (SCN-), para hierro, cobalto y molibdeno.

- Agua Oxigenada (H2O2), para titanio, vanadio y cromo.

- Ion Yoduro (I-), para bismuto y paladio.

Los reactivos orgánicos más comunes son:

- Dietilditiocarbamato [(C2H5)2NS2Na], para el cobre

- 1,10 - Fenantrolina, para el hierro.

Este método es bueno, tiene un error aceptable para valores de absorbancia entre 0,1 - 1,2. Fuera de este intervalo, los valores obtenidos de absorbancia no son muy de fiar.

El procedimiento para el análisis cuantitativo conlleva determinar las condiciones que permitan una relación reproducible entre absorbancia - concentración del compuesto (ha de ser lineal), para ellos hay que seguir una serie de pasos:

a.- Selección de la Longitud de Onda: para obtener una mayor sensibilidad se eligen longitudes de onda que corresponda con el pico de máxima absorción, y que tengan un intervalo de variación de longitud de onda en el que la absortividad sea constante.

Para seleccionar longitudes de onda hay que tener en cuenta el espectro de los reactivos correspondientes y de la muestra para que no interfieran en esa longitud de onda elegida. El máximo de absorbancia siempre que tengamos en esa zona una curva plana y que los reactivos no interfieran en el espectro.

b.- Determinación de Variables que puedan influir en la absorbancia:

- pH

- Temperatura

- Presencia de sustancias interferentes (que absorban a la misma longitud de onda que el analito)

- Concentración de los reactivos.

c.- Determinación de la Relación entre Absorbancia - Concentración. Ha de calcularse la recta de calibrado.

Si la relación es ideal, tenemos que:

Para hacer la recta patrón las concentraciones del analito utilizadas deben tener una composición aproximadamente igual a la de la muestra.

d.- Comprobación del Método; aplicándolo a una muestra patrón cuya concentración sea conocida y comparando ambos resultados.

ESTUDIOS CINÉTICOS

Controlando la velocidad de reacción en la que intervienen reactivos de concentraciones muy bajas.

DETERMINACIÓN DE PESOS MOLECULARES

Mediante la relación de la absortividad molar con otra absortividad que están en otras concentraciones.

VALORACIONES FOTOMÉTRICAS

Son útiles para localizar el punto de equivalencia de las valoraciones cuando uno o más de los reactivos (o productos) absorbe la radiación o están en presencia de indicadores que absorben.

Es válida para disoluciones muy diluidas.

Podemos tener distintos tipos de curvas dependiendo de quien sea el que absorbe, se mide la relación absorbancia - volumen.

Cuando el que absorbe es el Indicador (agente titulante):

Cuando el que absorbe es el producto:

Cuando el que absorbe es el reactivo:

INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPÍA DE ULTRAVIOLETA VISIBLE

Generalmente se usan Fotómetros y Espectrofotómetros.

FOTÓMETRO

Cualquier dispositivo que mide la intensidad de una radiación, son instrumentos sencillos que seleccionan una zona estrecha de longitudes de onda mediante filtros y utilizan como detector un Fototubo de vacío para medir la intensidad de la luz.

ESPECTROFOTÓMETRO

Instrumento más sofisticado que utilizan un monocromador para seleccionar la longitud de onda. Como detector utilizan un Fotomultiplicador que son más sensibles que los fototubos del fotómetro.

COLORÍMETRO

Son instrumentos muy sensibles que comparan, usando el ojo humano como detector, el color de la sustancia a analizar con el de la disolución patrón. Comparado con el espectrofotómetro es menos sensible. Se obtiene menos sensibilidad, y como lastre tiene que influye la fatiga ocular en la medida Una desventaja es que hay que usar continuamente las disoluciones patrón.

ESPECTROSCOPIO

Instrumento óptico que permite que el ojo detecte las líneas de espectrales, es útil para el análisis cuantitativo de elementos que emiten radiación en la región visible.

ESPECTRÓGRAFO

Instrumentos que detectan la radiación registrándola sobre placa fotográfica. Se utilizan para emisión atómica-.

ESPECTRÓMETROS

Instrumentos que poseen sistemas de detección eléctricos y se usan para todo el rango del espectro electromagnético. Dentro de estos están:

- Espectrofotómetros, detectan fotones.

- Espectrómetro de Masas, detectan partículas de masa finita.

FOTOTUBO DE VACÍO

Son dispositivos provistos de un cátodo sensible a la luz en forma de medio cilindro metálico recubierto interiormente de una capa sensible a la luz y, de un alambre que actúa como ánodo. Cuando la radiación llega al cátodo emite electrones que son atraídos hacia el ánodo y devueltos de nuevo al cátodo por un circuito externo que atraviesa una resistencia, la corriente fotovoltaica produce una caída de potencial a lo largo de esa resistencia que es proporcional a la corriente:

La sensibilidad del tubo depende de la sustancia que recubre el cátodo, que suele ser una mezcla de metal alcalino, un óxido de este metal, plata y oxido de plata.

TUBO FOTOMULTIPLICADOR

Son un tipo de fototubo de vacío de respuesta rápida y sensibilidad muy elevada. Dentro del tubo por emisión de electrones secundarios se consiguen amplificaciones de hasta 1 millón de veces.

La radiación que llega al fototubo provoca una emisión de electrones primarios que son acelerados hacia una segunda superficie sensible que al chocar con ella cada electrón primario es capaz de producir la emisión de 4 ó 5 electrones secundarios que son a su vez acelerados hacia otra superficie sensible de modo que el número de electrones emitidos vuelve a multiplicarse. Este proceso se puede repetir tantas veces como se quiera, normalmente se utilizan 10 cátodos (se multiplica por 10).

El factor de amplificación depende del potencial aplicado y requiere una fuente de alta tensión y de gran estabilidad.

Son capaces de medir intensidades 200 veces más débiles que un fototubo normal, y deben estar protegidos de la luz parásita.

TIPOS DE DISEÑO DE INSTRUMENTAL PARA UV VISIBLE

De Haz Simple

La radiación sólo pasa a través de una disolución, y por lo tanto necesitamos realizar 3 pasos para medir la absorbancia:

1.- Ajustar a 0 el medidor de transmitancia (cuando el obturador esta cerrado) cuando no llega radiación al medidor.

2.- Colocar el blanco a medir y ajustar a 100% de transmitancia o de absorbancia.

3.- Colocar la muestra y leer la absorbancia o transmitancia.

Se deben de repetir cada vez que vayamos a medir con una longitud de onda determinada, en este tipo de instrumento tanto la fuente como el detector deben de ser muy estables, la sensibilidad del detector y la potencia de la fuente deben permanecer constantes durante todo el proceso.

Son adecuados para análisis cuantitativo de mezclas sencillas.

No son adecuados para análisis cuantitativos de mezclas de sustancias con curvas de absorción complejas.

De Doble Haz

Tienen un haz que pasa a través de la disolución con la mezcla y al mismo tiempo el otro haz pasa a través de un blanco que nos da la señal de referencia, luego se comparan, sólo necesito dos pasos.

1.- Se colocan el blanco en las dos cubetas y se ajusta a 0 la absorbancia.

2.- Con el blanco en la cubeta de referencia y con el obturador cerrado se ajusta a 0 de transmitancia.

Una vez calibrado el aparato se pueden realizar medidas a distintas longitudes de onda sin tener que calibrarlo, debido a que la señal del haz que pasa por la muestra se compara continuamente con el haz que pasa a través del blanco (referencia, la disolución si el analito). Las dos señales de salida se amplifican, se determina el cociente:

Esta medida es independiente de la variación de la fuente o del detector con la longitud de onda.

Con este instrumento de doble haz se minimizan los errores debidos a las fluctuaciones de intensidad en la fuente y debidas a fluctuaciones en la respuesta del detector.

Energía